Harmonic response analysis of an impeller of a gas turbine engine which modelled by using high entropy alloy materials

Abstract

One of the problems in a gas turbine’s impeller design is to predict the frequency-stress response caused by the harmonic force resulted from the unbalanced mass. To avoid from impeller’s flaws that may occur, designers must essentially determine the stress conditions of machinery parts under high-speed rotations. The present research explores, for the first time, the effects of modelling with high entropy alloy materials for an impeller of a gas turbine engine on harmonic responses. In order to conduct harmonic analysis, a finite element model established for an impeller of gas turbine engine by using commercial Ansys finite element package. In the finite element model, the impeller and its shaft modelled by using solid elements and beam elements, respectively. The influence of materials having different high entropy alloys on stress responses is examined for an impeller of a gas turbine engine. The results show that the highest stress exists in AlCoCrFeNi high entropy alloy material for along the sweep frequency range. In addition, the highest stress-percentage ratio is in CoCrFeNi high entropy alloy material for first resonance frequencies. Also, computations illustrate the minimum stress-percentage ratio is in AlCoCrFeMo0.1Ni high entropy alloy material for first resonance frequencies. Another finding is that the maximum percentage ratio is in CoCrFeNi high entropy alloy material for second resonance frequencies. Furthermore, the lowest percentage ratio is detected in AlCoCrFeMo0.1Ni high entropy alloy material for second resonance frequencies.

Bir gaz türbininin çark tasarımındaki sorunlardan biride dengesiz kütleden meydana gelen harmonik kuvvetin sebep olduğu frekans-gerilme cevabını tahmin etmektir. Oluşabilecek çark kusurlarından kaçınmak için tasarımcılar temel olarak makine parçalarının yüksek hız altındaki gerilme şartlarını belirlemelidirler. Bu araştırma, bir gaz türbini motorunun çarkı için yüksek entropi alaşımlı malzemelerle modellemenin harmonik tepkiler üzerindeki etkilerini ilk kez incelemektedir. Harmonik analizleri gerçekleştirmek için ticari Ansys sonlu eleman paketi kullanılarak bir gaz türbini motorunun bir çarkı için bir sonlu eleman modeli oluşturulmuştur. Sonlu eleman modelinde çark ve şaft sırasıyla katı ve kiriş sonlu elemanları kullanılarak modellenmiştir. Bir gaz türbini motorunun çarkı için farklı yüksek entropi alaşımlarına sahip malzemelerin stres tepkileri üzerindeki etkisi incelenmiştir. Sonuçlar en yüksek gerilimin, tarama frekansı aralığı boyunca AlCoCrFeNi yüksek entropi alaşımlı malzemede mevcut olduğunu göstermektedir. Ek olarak birinci rezonans frekansları için en yüksek gerilim-yüzde oranı CoCrFeNi yüksek entropi alaşımlı malzemededir. Ayrıca hesaplamalar birinci rezonans frekansları için minimum gerilim-yüzde oranının AlCoCrFeMo0.1Ni yüksek entropili alaşım malzemede olduğunu göstermektedir. Diğer bir bulgu ise ikinci rezonans frekansları için maksimum yüzde oranının CoCrFeNi yüksek entropili alaşımlı malzemede olmasıdır. Ayrıca ikinci rezonans frekansları için en düşük yüzde oranı AlCoCrFeMo0.1Ni yüksek entropi alaşımlı malzemede tespit edilmiştir.